EP1314993A2 - Device for measuring a magnetic field and measuring a current - Google Patents
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- EP1314993A2 EP1314993A2 EP02023102A EP02023102A EP1314993A2 EP 1314993 A2 EP1314993 A2 EP 1314993A2 EP 02023102 A EP02023102 A EP 02023102A EP 02023102 A EP02023102 A EP 02023102A EP 1314993 A2 EP1314993 A2 EP 1314993A2
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- G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
- G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
Definitions
- an electrical current For a non-contact, low-loss and electrically isolated Measurement of an electrical current is particularly suitable the measurement of the magnetic field generated by the current, for what sensor elements, such as Hall sensors, magnetoresistive resistors or magnetotransistors are suitable.
- sensor elements such as Hall sensors, magnetoresistive resistors or magnetotransistors are suitable.
- a very accurate current measurement is used across several orders of magnitude and one if possible low susceptibility to failure required, the location of the required, highly sensitive current or magnetic field sensors generally highly electromagnetic is, in particular by stray fields and interference fields from neighboring Conductors or rotating, for example Magnetic fields in the vicinity of a generator.
- the Discrimination between the magnetic field to be measured and the parasitic stray fields in the area are very difficult, because even at high currents of a few hundred amperes the magnetic fields, that surround the conductor, often only on the order of magnitude of a few millitesla.
- the field strength of the to be measured Magnetic fields are often only slightly higher than the field strength of the parasitic stray fields.
- Interference shielded magnetic field sensors known, wherein often the magnetic field by a so-called Magnetic circuit is concentrated - for example in the form of a Flux concentrator - so that the magnetic field for the measurement is reinforced. Additional known measures include a suitable wiring of the sensors - for example in Form of ASICs or as discrete circuits - which realized the highest possible sensitivity of the measurement becomes.
- the magnetic field to be measured is also generally known not to register directly, but through generation to eliminate an opposing field at the location of the sensor. From knowledge of the required opposing field, which for example can be generated by a coil closes then back to the magnetic field to be measured.
- the device according to the invention for measuring a magnetic field and the current measuring device according to the invention have the characteristics of the subordinate claims the advantage that both the sensors and the generation of the opposing field integrated on a single substrate are. This results in that with an inventive Compensation method with a single, highly sensitive sensor cover very large measuring ranges leave, since the actual magnetic field measurement from the generated Opposing field results. It is also advantageous that previously known external or circuitry compensation methods to be replaced by an on-chip solution. Farther it is advantageous that the magnetic field sensor according to the invention, the magnetic field generator for the compensation field and the control and evaluation logic in one Chip are integrated. The one carrying the current to be measured Power section - that is, the conductor section through which the current to be measured flows - can also be beneficial be integrated into the chip.
- a single chip has the advantage of being inexpensive to manufacture and is space-saving. Farther makes an on-chip compensation method the external one Circuitry and additional components unnecessary, the compensation methods according to the prior art are currently necessary. Furthermore, the Assembly effort compared to previous compensation solutions. The installation space for the sensor and the magnetic field generator is reduced also on the only integrated chip, which can only be integrated into the application. Due to the integration it is still possible to use external Shielding interference and stray fields due to the compact design. Furthermore, it is possible for the production all components, i.e. the power section, the sensor, the control and evaluation logic, inexpensive in in a single process.
- FIG. 1 is a schematic sketch of a first embodiment a device 1 according to the invention.
- the device 1 according to the invention comprises on one Substrate 10 an area 50 and an evaluation and control circuit 60, which in a further area of the substrate 10 is provided.
- the substrate 10 is according to the invention in particular as a semiconductor substrate, in particular as Silicon substrate provided.
- the area 50 of the substrate 10 comprises, in particular, a first partial area 20, a second section 30 and a third Subarea 40.
- the first subarea 20 is according to the invention in particular as a section of a current-carrying conductor formed, which carries a current in the region 50th flows vertically through the substrate 10. This results in a magnetic field in the substrate plane, which by the im first portion 20 flowing vertically through the substrate Electricity is generated.
- the second section 30 comprises the magnetic field generator, i.e. an arrangement, the one flowing vertically through the substrate 10 Electricity is generated so that a magnetic field is created, which the current flowing through the first partial region 20 generated magnetic field is opposite.
- region 50 of substrate 10 comprises an arrangement for sensing a magnetic field, the arrangement the resulting magnetic field for sensing a magnetic field from that in the first section 20 and in the second Partial area 30 flowing current sensed.
- Figure 1 are no connecting lines between the evaluation circuit 60 and the region 50 of the semiconductor substrate 10. However, these are of course available to a Possibility of control and evaluation to create. Furthermore, there are also connections from the substrate 10 to the external environment of the substrate 10 not shown in Figure 1.
- FIG. 2 is a schematic sketch of a second embodiment the device 1 according to the invention.
- the substrate 10, the evaluation logic, is again shown 60, as well as the area 50 of the substrate 10, which the first partial area 20, the second partial area 30 and includes the third section 40.
- the connecting lines between the evaluation logic 60 and the area 50 are well as not shown externally.
- the exemplary embodiment is the second shown in FIG Embodiment provided such that the area 50th in particular has a substantially round shape, wherein also the partial areas 20, 30, 40 are essentially round Have shape.
- the area is 50 and its Subareas 20, 30, 40 essentially by a rectangular or shown in particular square shape.
- FIG. 3 is a schematic diagram of the functional principle of Device according to the invention shown. It is believed, that in the first section 20, which is not in FIG. 3 is shown, a first vertical current flow prevails, which in Figure 3 by one with the reference numeral 21 provided arrow is shown.
- the first stream 21 produced in the dashed and also with the reference numeral 10 provided by a an annular one and provided with the reference number 22 First magnetic field shown by arrow.
- the first magnetic field 22 is also referred to as the magnetic field 22 to be measured.
- the second sub-area 30 there is in the invention Device before a second current flow, which in the figure 3 represented by an arrow provided with the reference number 31 is.
- the second partial area 30 is in FIG. 3 also not shown.
- the second stream 31 produces in the substrate plane 10 a second magnetic field 32, which by an annular one with the reference numeral 32 Arrow is shown, which is opposite the first Magnetic field 22 is oriented in opposite directions.
- the second magnetic field 32 is in particular also used as a compensation field 32 or Counter field 32 designated.
- Those arranged in the third partial area 40 Magnetic field sensors essentially register only that from the first magnetic field 22 and the second magnetic field 32 resulting magnetic field, which in FIG. 3 is not specifically represented by a reference number.
- the principle of the invention is based on the fact that a vertical Current flow, that is to say the first current 21, through a conductor or a semiconductor chip - that is to say in FIGS. 1 and 2 arranged in particular in the first partial area 20 - an annular, magnetic conductor surrounding the conductor or the chip - First magnetic field 22 - generated. It is therefore advantageous a current-carrying conductor or semiconductor in the center of a semiconductor chip or To place area 50. This is also in Figures 1 and 2 shown, since the first partial area 20 is essentially each located in the center of area 50.
- the one in the first Sub-area 20 conductor is according to the invention in particular as a power transistor, for example as a power MOS, Bipolar transistor, etc.
- this power section of the chip with magnetic field sensitive elements for example magnetic field-sensing cells - for example on the use of the Hall effect, the magnetoresistive Effect, the magnetotransistor effect, etc. are based -, so you can with this magnetic field sensitive cell structure measure the first magnetic field 22, which is the one in the first partial area 20 radially surrounds the power section. hereby it is possible to measure the first magnetic field 22 directly.
- the third section 40 Surrounding the first partial area 20 with magnetic field sensitive Elements is shown in Figures 1 and 2 that the third section 40 in particular also the surrounds the first partial area 20.
- the current flow (second current 31) in the second partial region 30 is to be chosen so that at the location of the sensor cells in the third Sub-area 40 opposite the generated compensation field 32 to the field profile of the central power section in the first partial region 20 originating magnetic field 22 directed is. In this way you get outside, magnetic field sensitive and the chip area accommodated in the third partial area 40 two opposing magnetic fields 22, 32.
- suitable Variation of the current flow in the second partial region 30, that is, in the middle cell structure, you can see the field of the power section, which is provided in the first section 20 is at the location of the sensor cells, i.e. in the third Compensate section 40 as required.
- a second current 31 measure those in the third section 40 housed sensor cells the undisturbed field 22 of the Central power section housed in the first section 20.
- a second means is therefore provided in particular, which is accommodated in the third partial region 40 and comprises magnetic field-sensitive elements which sense a magnetic field running in the plane of the substrate 10, the sensed magnetic field being either the resulting magnetic field from the first magnetic field 22 and the second magnetic field 32 corresponds - if the second magnetic field 32 does not disappear when the magnetic field generator located in the second partial area 30 is switched on - or wherein the resulting magnetic field is equal to the first magnetic field 22 - if the magnetic field generator located in the second partial area 30 is switched off.
- the first magnetic field 22 can also be periodically modulated by superimposing the varying field 32, as a result of which frequency-sensitive measurement methods (for example using lock-in technology or other noise-suppressing measurement methods) can be used to measure the magnetic field 22 ,
- the invention Device in a single semiconductor process manufacture.
- the described on-chip compensation method respectively the device according to the invention can also be used several times be applied or repeated on a chip. ever After application, the current-carrying structure in the first Partial area 20 in a ring around the central compensation current structure arranged in the second partial area 30 become. Compared to FIGS. 1 and 2, this means a Exchange of the first partial area 20 and the second Subarea 30.
- the magnetic field measuring device according to the invention respectively Current measuring device is advantageous with a control and evaluation logic integrated on the substrate 10 together.
- all magnetic field sensors based on lateral fields running to the chip area of the substrate 10 are sensitive, especially all elements after the Hall principle work.
- the complete enclosure of the third section 40 provided sensor cells of the other two sections 20, 30 makes it possible according to the invention, in the third partial area 40 the orbital integral of the first magnetic field 22 and the second magnetic field 32 resulting magnetic field determine what directly results in the resulting current through the closed integration path is accessible. According to the invention it is both provided that the opposing field 32 through the second stream 31 to choose so that the resulting field is adjusted to zero; alternatively, it is also possible regulate the opposing field 32 only at discrete intervals or to be able to adjust, so that general the resulting field does not disappear, but only is (substantially) smaller than the magnetic field 22 to be measured.
- the magnetic field to be measured would be in two Steps are closed, namely once by the second Magnetic field 32 and the other by measuring the strength of the resulting magnetic field. With a comparison too Zero of the resulting magnetic field just needs to be looked at which counter field 32 is required.
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Abstract
Description
Für eine berührungslose, verlustarme und potenzialgetrennte Messung eines elektrischen Stromes eignet sich insbesondere die Messung des durch den Strom erzeugten Magnetfeldes, wofür sich Sensorelemente, wie beispielsweise Hallsensoren, magnetoresistive Widerstände oder Magnetotransistoren eignen. In vielen Anwendungen wird eine sehr genaue Strommessung über mehrere Größenordnungen hinweg und eine möglichst geringe Störanfälligkeit gefordert, wobei der Einsatzort der benötigten, hochempfindlichen Strom- beziehungsweise Magnetfeldsensoren im allgemeinen stark elektromagnetisch belastet ist, insbesondere durch Streufelder und Störfelder von benachbarten Stromleitern oder beispielsweise durch rotierende Magnetfelder in der Umgebung eines Generators. Daher ist die Diskriminierung zwischen dem zu messenden Magnetfeld und den parasitären Streufeldern der Umgebung sehr schwer, da selbst bei hohen Strömen von einigen Hundert Ampere die Magnetfelder, die den Leiter umgeben, oft nur in der Größenordnung von wenigen Millitesla liegen. Die Feldstärke der zu messenden Magnetfelder ist damit häufig nur unwesentlich höher als die Feldstärke der parasitären Streufelder. For a non-contact, low-loss and electrically isolated Measurement of an electrical current is particularly suitable the measurement of the magnetic field generated by the current, for what sensor elements, such as Hall sensors, magnetoresistive resistors or magnetotransistors are suitable. In many applications, a very accurate current measurement is used across several orders of magnitude and one if possible low susceptibility to failure required, the location of the required, highly sensitive current or magnetic field sensors generally highly electromagnetic is, in particular by stray fields and interference fields from neighboring Conductors or rotating, for example Magnetic fields in the vicinity of a generator. Hence the Discrimination between the magnetic field to be measured and the parasitic stray fields in the area are very difficult, because even at high currents of a few hundred amperes the magnetic fields, that surround the conductor, often only on the order of magnitude of a few millitesla. The field strength of the to be measured Magnetic fields are often only slightly higher than the field strength of the parasitic stray fields.
Es sind allgemein empfindliche und gut gegen solche parasitären Störungen abgeschirmte Magnetfeldsensoren bekannt, wobei häufig zusätzlich das Magnetfeld durch einen sogenannten Magnetkreis konzentriert wird - beispielsweise in Form eines Flusskonzentrators - , so dass das Magnetfeld für die Messung verstärkt wird. Zusätzliche bekannte Maßnahmen umfassen eine geeignete Beschaltung der Sensoren - beispielsweise in Form von ASICs oder als diskrete Schaltkreise - , wodurch eine möglichst hohe Empfindlichkeit der Messung realisiert wird. Allgemein bekannt ist ebenfalls, das zu messende Magnetfeld nicht direkt zu registrieren, sondern durch die Erzeugung eines Gegenfeldes am Ort des Sensors zu eliminieren. Aus der Kenntnis des benötigten Gegenfeldes, welches beispielsweise durch eine Spule erzeugt werden kann, schließt man dann auf das zu messende Magnetfeld zurück. Vorteil dieser bekannten Kompensationsmethode ist, dass man das Magnetfeld sehr genau auf Null abgleichen kann, wenn man einen sehr sensitiven Sensor verwendet. Dieser Sensor muss lediglich den Nullabgleich des Magnetfeldes messen. Selbst bei sehr hohen, zu messenden Magnetfeldern wird der Sensor nicht in Sättigung gehen, da er stets nur das kompensierte Magnetfeld, das heißt die resultierende aus dem zu messenden Magnetfeld und des Gegenfeldes, zu registrieren hat. Nachteilig bei den bekannten Kompensationsmethoden ist, dass diese im allgemeinen eine eigene, aufwendige Beschaltung und zusätzlichen Bauraum für den das Kompensationsfeld erzeugenden Magnetfeldgenerator benötigen.They are generally sensitive and good against such parasitic ones Interference shielded magnetic field sensors known, wherein often the magnetic field by a so-called Magnetic circuit is concentrated - for example in the form of a Flux concentrator - so that the magnetic field for the measurement is reinforced. Additional known measures include a suitable wiring of the sensors - for example in Form of ASICs or as discrete circuits - which realized the highest possible sensitivity of the measurement becomes. The magnetic field to be measured is also generally known not to register directly, but through generation to eliminate an opposing field at the location of the sensor. From knowledge of the required opposing field, which for example can be generated by a coil closes then back to the magnetic field to be measured. Advantage of this well-known compensation method is that you have the magnetic field can adjust very precisely to zero if you have one very sensitive sensor used. This sensor only has to measure the zero balance of the magnetic field. Even at The sensor does not become very high magnetic fields to be measured go into saturation because it only ever compensates for the compensated magnetic field, that is, the resulting from the magnetic field to be measured and the opposite field. adversely with the known compensation methods, this is generally a separate, complex circuit and additional Space for the one generating the compensation field Need magnetic field generator.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung eines Magnetfeldes und die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung gemäß den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass sowohl die Sensorik als auch die Erzeugung des Gegenfeldes auf einem einzigen Substrat integriert sind. Dadurch ergibt es sich, dass sich mit einer erfindungsgemäßen Kompensationsmethode mit einem einzigen, hochempfindlichen Sensor sehr große Messbereiche abdecken lassen, da die eigentliche Magnetfeldmessung aus dem erzeugten Gegenfeld resultiert. Weiterhin ist es vorteilhaft, die bisher bekannten externen oder schaltungstechnischen Kompensationsmethoden durch eine On-chip-Lösung zu ersetzen. Weiterhin ist von Vorteil, dass der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor, der Magnetfeldgenerator für das Kompensationsfeld und die Ansteuer- und Auswerte-Logik auf einem einzigen Chip integriert sind. Der den zu messenden Strom tragenden Leistungsteil - das heißt der Leiterabschnitt, durch den der zu messende Strom fließt - kann ebenfalls vorteilhaft auf dem Chip integriert werden. Hieraus ergibt sich für die Herstellung des Sensors, der Intelligenz - das heißt der Auswerte- und Steuer-Logik - und des Magnetfeldgenerators auf einem einzigen Chip der Vorteil, dass die Herstellung kostengünstig und platzsparend zu bewerkstelligen ist. Weiterhin macht eine On-chip-Kompensationsmethode den externen Schaltungsaufwand und zusätzliche Komponenten überflüssig, die bei Kompensationsmethoden gemäß dem Stand der Technik bisher notwendig sind. Weiterhin reduziert sich auch der Montageaufwand gegenüber bisherigen Kompensationslösungen. Der Bauraum für den Sensor und den Magnetfeldgenerator reduziert sich ebenfalls auf den einzigen integrierten Chip, welcher lediglich in die Applikation zu integrieren ist. Aufgrund der Integration ist es weiterhin möglich, externe Stör- und Streufelder aufgrund der kompakten Bauform gut abzuschirmen. Weiterhin ist es für die Herstellung möglich, sämtliche Komponenten, das heißt den Leistungsteil, den Sensor, die Ansteuerungs- und Auswerte-Logik, kostengünstig in einem einzigen Prozess herzustellen.The device according to the invention for measuring a magnetic field and the current measuring device according to the invention have the characteristics of the subordinate claims the advantage that both the sensors and the generation of the opposing field integrated on a single substrate are. This results in that with an inventive Compensation method with a single, highly sensitive sensor cover very large measuring ranges leave, since the actual magnetic field measurement from the generated Opposing field results. It is also advantageous that previously known external or circuitry compensation methods to be replaced by an on-chip solution. Farther it is advantageous that the magnetic field sensor according to the invention, the magnetic field generator for the compensation field and the control and evaluation logic in one Chip are integrated. The one carrying the current to be measured Power section - that is, the conductor section through which the current to be measured flows - can also be beneficial be integrated into the chip. This results in the manufacture of the sensor, the intelligence - that is, the evaluation and control logic - and the magnetic field generator A single chip has the advantage of being inexpensive to manufacture and is space-saving. Farther makes an on-chip compensation method the external one Circuitry and additional components unnecessary, the compensation methods according to the prior art are currently necessary. Furthermore, the Assembly effort compared to previous compensation solutions. The installation space for the sensor and the magnetic field generator is reduced also on the only integrated chip, which can only be integrated into the application. Due to the integration it is still possible to use external Shielding interference and stray fields due to the compact design. Furthermore, it is possible for the production all components, i.e. the power section, the sensor, the control and evaluation logic, inexpensive in in a single process.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen
In Figur 1 ist eine schematische Skizze eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umfasst auf einem
Substrat 10 einen Bereich 50 und eine Auswerte- und Ansteuerungsschaltung
60, welche in einem weiteren Bereich des Substrates
10 vorgesehen ist. Das Substrat 10 ist erfindungsgemäß
insbesondere als Halbleitersubstrat, insbesondere als
Siliziumsubstrat, vorgesehen. Der Bereich 50 des Substrates
10 umfasst erfindungsgemäß insbesondere einen ersten Teilbereich
20, einen zweiten Teilbereich 30 und einen dritten
Teilbereich 40. Der erste Teilbereich 20 ist erfindungsgemäß
insbesondere als Teilabschnitt eines stromtragenden Leiters
ausgebildet, welcher einen Strom trägt, der im Bereich 50
vertikal durch das Substrat 10 fließt. Hierdurch ergibt sich
ein Magnetfeld in der Substratebene, welches durch den im
ersten Teilbereich 20 senkrecht durch das Substrat hindurchfließenden
Strom hervorgerufen wird. Der zweite Teilbereich
30 umfasst den Magnetfeldgenerator, das heißt, eine Anordnung,
die einen vertikal durch das Substrat 10 fließenden
Strom generiert, so dass ein Magnetfeld entsteht, welches
dem von dem durch den ersten Teilbereich 20 fließenden Strom
erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt ist. Im dritten Teilbereich
40 umfasst der Bereich 50 des Substrates 10 eine Anordnung
zum Sensieren eines Magnetfeldes, wobei die Anordnung
zum Sensieren eines Magnetfeldes das resultierende Magnetfeld
aus dem im ersten Teilbereich 20 und im zweiten
Teilbereich 30 fließenden Strom sensiert. In Figur 1 sind
keine Verbindungsleitungen zwischen der Auswerteschaltung 60
und dem Bereich 50 des Halbleitersubstrates 10 dargestellt.
Diese sind jedoch selbstverständlich vorhanden, um eine
Steuerungsmöglichkeit und Auswertemöglichkeit zu schaffen.
Weiterhin sind auch Anschlüsse von dem Substrat 10 zu der
externen Umgebung des Substrates 10 in Figur 1 nicht dargestellt.In Figure 1 is a schematic sketch of a first embodiment
a
In Figur 2 ist eine schematische Skizze eines zweiten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt.
Dargestellt ist wiederum das Substrat 10, die Auswerte-Logik
60, sowie der Bereich 50 des Substrates 10, welche
den ersten Teilbereich 20, den zweiten Teilbereich 30
und den dritten Teilbereich 40 umfasst. Auch in Figur 2 sind
die Verbindungsleitungen sowohl zwischen der Auswerte-Logik
60 und dem Bereich 50 als auch nach extern nicht dargestellt.
Im Gegensatz zum in Figur 1 dargestellten ersten
Ausführungsbeispiel ist das in Figur 2 dargestellte zweite
Ausführungsbeispiel derart vorgesehen, dass der Bereich 50
insbesondere im wesentlichen eine runde Form aufweist, wobei
auch die Teilbereiche 20, 30, 40 eine im wesentlichen runde
Form aufweisen. Bei der Figur 1 ist der Bereich 50 und seine
Teilbereiche 20, 30, 40 im wesentlichen durch eine rechtekkige
beziehungsweise insbesondere quadratische Form dargestellt.In Figure 2 is a schematic sketch of a second embodiment
the
In Figur 3 ist eine Prinzipskizze des Funktionsprinzipes der
erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Es wird angenommen,
dass im ersten Teilbereich 20, der in Figur 3 nicht
dargestellt ist, ein erster vertikaler Stromfluss vorherrscht,
welcher in Figur 3 durch einen mit dem Bezugszeichen
21 versehenen Pfeil dargestellt ist. Der erste Strom 21
produziert in der gestrichelt dargestellten und ebenfalls
mit dem Bezugszeichen 10 versehenen Substratebene ein durch
einen ringförmigen und mit dem Bezugszeichen 22 versehenen
Pfeil dargestelltes erstes Magnetfeld. Das erste Magnetfeld
22 wird auch als das zu messende Magnetfeld 22 bezeichnet.
Im zweiten Teilbereich 30 herrscht bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ein zweiter Stromfluss vor, welcher in der Figur
3 durch einen mit dem Bezugszeichen 31 versehenen Pfeil dargestellt
ist. Der zweite Teilbereich 30 ist in der Figur 3
ebenfalls nicht dargestellt. Der zweite Strom 31 produziert
in der Substratebene 10 ein zweites Magnetfeld 32, welches
durch einen ringförmigen und mit dem Bezugszeichen 32 versehenen
Pfeil dargestellt ist, welches gegenüber dem ersten
Magnetfeld 22 gegenläufig orientiert ist. Das zweite Magnetfeld
32 wird insbesondere auch als Kompensationsfeld 32 oder
Gegenfeld 32 bezeichnet. Die im dritten Teilbereich 40 angeordneten
Magnetfeldsensoren registrieren im wesentlichen
nur, das aus dem ersten Magnetfeld 22 und dem zweiten Magnetfeld
32 resultierende Magnetfeld, welches in Figur 3
nicht eigens durch ein Bezugszeichen dargestellt ist.In Figure 3 is a schematic diagram of the functional principle of
Device according to the invention shown. It is believed,
that in the
Das Prinzip der Erfindung beruht darauf, dass ein vertikaler
Stromfluss, das heißt der erste Strom 21, durch einen Leiter
oder einen Halbleiterchip - das heißt in der Figur 1 und 2
insbesondere im ersten Teilbereich 20 angeordnet - ein ringförmiges,
den Leiter beziehungsweise den Chip umgebendes Magnetfeld
- erstes Magnetfeld 22 -erzeugt. Es ist daher vorteilhaft,
einen stromtragenden Leiter beziehungsweise Halbleiter
im Zentrum eines Halbleiterchips beziehungsweise des
Bereiches 50 zu platzieren. Dies ist in Figur 1 und 2 auch
dargestellt, da sich der erste Teilbereich 20 jeweils im wesentlichen
im Zentrum des Bereiches 50 befindet. Der im ersten
Teilbereich 20 befindliche Leiter ist erfindungsgemäß
insbesondere als Leistungstransistor, beispielsweise als Power-MOS,
Bipolartransistor, etc. vorgesehen, dessen Zellen
sich im ersten Teilbereich 20 befinden. Wird dieser Leistungsteil
des Chips mit magnetfeldsensitiven Elementen,
beispielsweise magnetfeldsensierenden Zellen - die beispielsweise
auf der Nutzung des Halleffekts, des magnetoresistiven
Effekts, des Magnetotransistoreffekts etc. beruhen
- , so kann man mit dieser magnetfeldsensitiven Zellstruktur
das erste Magnetfeld 22 messen, welches den im ersten Teilbereich
20 befindlichen Leistungsteil radial umgibt. Hierdurch
ist es möglich, das erste Magnetfeld 22 direkt zu messen.
Das Umgeben des ersten Teilbereiches 20 mit magnetfeldsensitiven
Elementen ist in Figur 1 und 2 dadurch dargestellt,
dass der dritte Teilbereich 40 insbesondere auch den
ersten Teilbereich 20 umgibt. Um jedoch mit hochempfindlichen
Sensoren einen sehr großen Messbereich abzudecken, ist
es vorteilhaft, eine Kompensationsmethode zu verwenden, mit
der das zu messende Magnetfeld 22 jeweils, insbesondere auf
Null, abgeglichen wird. Zur Steigerung der Messempfindlichkeit
und um einen möglichst großen Messbereich zu realisieren
ist es daher vorteilhaft, eine weitere Zellstruktur zwischen
dem im dritten Teilbereich 40 vorgesehenen Magnetfeld
sensierenden Zellen und dem im ersten Teilbereich 20 vorgesehenen
eigentlichen stromtragenden Leistungsteil vorzusehen.
Diese zwischen dem Sensorteil - im dritten Teilbereich
40 - und dem Leistungsteil - im ersten Teilbereich 20 - liegende
Zellstruktur hat die Aufgabe, ein Kompensationsmagnetfeld
32 zu erzeugen. Vorteilhaft kann dies beispielsweise
durch Zellen erfolgen, die einen regelbaren, vertikalen
Stromfluss - der Strom 31 zur Erzeugung des Gegenfeldes -
erzeugen, beispielsweise mittels eines Leistungstransistors
beziehungsweise mittels Power-MOS-Zellen. Beispielsweise
kann in einem BCD-Prozess durch vergrabene Strukturen ein
entsprechender vertikaler Stromfluss 31 mit entgegengesetzt
zum zentralen Hauptstrom 21 liegender Richtung realisiert
werden.The principle of the invention is based on the fact that a vertical
Current flow, that is to say the first current 21, through a conductor
or a semiconductor chip - that is to say in FIGS. 1 and 2
arranged in particular in the first partial area 20 - an annular,
magnetic conductor surrounding the conductor or the chip
- First magnetic field 22 - generated. It is therefore advantageous
a current-carrying conductor or semiconductor
in the center of a semiconductor chip or
To place
Der Stromfluss (zweiter Strom 31) im zweiten Teilbereich 30
ist so zu wählen, dass am Ort der Sensorzellen im dritten
Teilbereich 40 das erzeugte Kompensationsfeld 32 entgegengesetzt
zu dem Feldverlauf des vom zentralen Leistungsteils im
ersten Teilbereich 20 stammenden Magnetfeldes 22 gerichtet
ist. Auf diese Weise erhält man im äußeren, magnetfeldsensitiven
und im dritten Teilbereich 40 untergebrachten Chipbereich
zwei gegenläufige Magnetfelder 22, 32. Durch geeignete
Variation des Stromflusses in dem zweiten Teilbereich 30,
das heißt in der mittleren Zellstruktur, kann man das Feld
des Leistungsteiles, welches im ersten Teilbereich 20 vorgesehen
ist, am Ort der Sensorzellen, das heißt im dritten
Teilbereich 40, je nach Bedarf kompensieren. Bei Abwesenheit
eines zweiten Stromes 31 messen die im dritten Teilbereich
40 untergebrachten Sensorzellen das ungestörte Feld 22 des
im ersten Teilbereich 20 untergebrachten zentralen Leistungsteils.The current flow (second current 31) in the second
Dies ermöglicht es, über einen sehr großen Messbereich hinweg,
den Einsatz von hochempfindlichen Sensorzellen im dritten
Teilbereich 40, die die Kompensation der Magnetfelder
22, 32 sehr genau ermöglichen und eine entsprechend hohe
Messempfindlichkeit realisieren können. Aus der Kenntnis des
Zusammenhangs zwischen dem erzeugten Kompensationsfeld 32
und dem zur Erzeugung des Kompensationsfeldes 32 benötigten
zweiten Strom 31 kann die Größe des vom zentralen Leistungsteil
im ersten Teilbereich 20 stammenden Magnetfeldes 22 ermittelt
werden. Erfindungsgemäß ist es also vorgesehen, im
zweiten Teilbereich 30 ein zweites Mittel vorzusehen, welches
das Kompensationsfeld 32 erzeugt und welches erfindungsgemäß
insbesondere als Leistungstransistor vorgesehen
ist. Erfindungsgemäß ist daher insbesondere ein zweites Mittel
vorgesehen, welches im dritten Teilbereich 40 untergebracht
ist und magnetfeldsensitive Elemente umfasst, welche
ein in der Ebene des Substrates 10 verlaufendes Magnetfeld
sensieren, wobei das sensierte Magnetfeld entweder dem resultierenden
Magnetfeld aus dem ersten Magnetfeld 22 und dem
zweiten Magnetfeld 32 entspricht - wenn das zweite Magnetfeld
32 durch Einschalten des im zweiten Teilbereich 30 befindlichen
Magnetfeldgenerators nicht verschwindet - oder
wobei das resultierende Magnetfeld gleich dem ersten Magnetfeld
22 ist - wenn der im zweiten Teilbereich 30 befindliche
Magnetfeldgenerator ausgeschaltet ist.
Durch periodisches Ein- und Ausschalten des Magnetfeldgenerators
kann auch eine periodische Modulation des ersten Magnetfeldes
22 durch Überlagerung des variierenden Feldes 32
erfolgen, wodurch frequenzsensitive Messmethoden (z.B. Verwendung
von Lock-In-technik oder anderer rauschunterdrückender
Messmethoden) zur Messung des Magnetfeldes 22 eingesetzt
werden können.This makes it possible, over a very large measuring range, to use highly sensitive sensor cells in the third
By periodically switching the magnetic field generator on and off, the first
Erfindungsgemäß ist es insbesondere vorgesehen, die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem einzigen Halbleiterprozess herzustellen.According to the invention, it is particularly provided that the invention Device in a single semiconductor process manufacture.
Die beschriebene On-chip-Kompensationsmethode beziehungsweise
die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch mehrfach auf
einem Chip angewendet beziehungsweise wiederholt werden. Je
nach Anwendung kann auch die stromtragende Struktur im ersten
Teilbereich 20 ringförmig um die zentralliegende Kompensationsstromstruktur
im zweiten Teilbereich 30 angeordnet
werden. Dies bedeutet gegenüber den Figuren 1 und 2 eine
Vertauschung des ersten Teilbereiches 20 und des zweiten
Teilbereiches 30. The described on-chip compensation method, respectively
the device according to the invention can also be used several times
be applied or repeated on a chip. ever
After application, the current-carrying structure in the first
Die erfindungsgemäße Magnetfeldmessvorrichtung beziehungsweise
Strommessvorrichtung ist vorteilhaft mit einer Ansteuer-
und Auswerte-Logik auf dem Substrat 10 gemeinsam integriert.The magnetic field measuring device according to the invention, respectively
Current measuring device is advantageous with a control
and evaluation logic integrated on the
Für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist die Kombination von
verschiedenen Funktionen, wie beispielsweise die Leistungstreiber,
die Sensorik und die Intelligenz, notwendig,
wofür insbesondere Mischprozesse, wie ein BCD-Prozess besonders
vorteilhaft ist. Als Ausführungsformen der Erfindung
sind generell alle Magnetfeldsensoren geeignet, die auf lateral
zur Chipfläche des Substrates 10 verlaufende Felder
empfindlich sind, insbesondere alle Elemente, die nach dem
Hallprinzip arbeiten.For the device according to the invention, the combination of
various functions, such as the performance drivers,
the sensors and the intelligence, necessary
for which in particular mixed processes, such as a BCD process in particular
is advantageous. As embodiments of the invention
In general, all magnetic field sensors based on lateral
fields running to the chip area of the
Die vollständige Umschließung der im dritten Teilbereich 40
vorgesehenen Sensorzellen der beiden anderen Teilbereiche
20, 30 macht es erfindungsgemäß möglich, im dritten Teilbereich
40 das Umlaufintegral des aus dem ersten Magnetfeld 22
und dem zweiten Magnetfeld 32 resultierenden Magnetfeldes zu
bestimmen, wodurch direkt der resultierende Strom durch den
geschlossenen Integrationspfad zugänglich ist. Erfindungsgemäß
ist es sowohl vorgesehen, das Gegenfeld 32 durch den
zweiten Strom 31 so zu wählen, dass das resultierende Feld
auf Null abgeglichen ist; alternativ ist es aber auch möglich,
das Gegenfeld 32 lediglich in diskreten Abständen regeln
beziehungsweise einstellen zu können, so dass allgemein
das resultierende Feld nicht verschwindet, sondern lediglich
(wesentlich) kleiner als das zu messende Magnetfeld 22 ist.
In diesem Fall würde auf das zu messende Magnetfeld in zwei
Schritten geschlossen werden, nämlich einmal durch das zweite
Magnetfeld 32 und zum anderen durch die Messung der Stärke
des resultierenden Magnetfeldes. Bei einem Abgleich zu
Null des resultierenden Magnetfeldes muss lediglich angeschaut
werden, welches Gegenfeld 32 erforderlich ist.The complete enclosure of the
Claims (7)
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DE2001157509 DE10157509A1 (en) | 2001-11-23 | 2001-11-23 | Device for measuring a magnetic field and current measuring device |
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